零件的五軸加工

     在五軸加工的發(fā)展方面，其應用主耍是因為生產(chǎn)量的變化。以前，主要集中于各軸的聯(lián)動。這一技術(shù)多用于產(chǎn)量極小的模具生產(chǎn)。在飛機工業(yè)的機身零件、渦輪和葉片的制造中，五軸加工己應用多年。汽車工業(yè)中， 渦輪增壓技術(shù)大大地提高了產(chǎn)量。這主要集中在減少加工循環(huán)時間方面。

實際上，五軸加工在大批量生產(chǎn)中的應用日益增多， 有些是零件的某些部位確實需要五軸聯(lián)動加工，而有些零件的加工完全不需要五軸聯(lián)動。這種應用的增多是因為零件越來越復雜和零件精度要求越來越高。這類零件是絕大多數(shù)五軸加工的代表(圖1)。在這種情況下，具有一次裝夾完成全部加工的優(yōu)點，采用五軸加工的原因是可提高加工能力和生產(chǎn)效率。

圖1 五軸加工的市場份額

多數(shù)實用五軸機床是由三個直線坐標軸和二個回轉(zhuǎn)軸組成的。除此之外，已經(jīng)證明刀具一側(cè)有三個直線坐標軸加二個回轉(zhuǎn)坐標軸的3+2軸零件定位(耳軸和行星式結(jié)構(gòu))是一種很好的解決方案。另一種創(chuàng)新變型設(shè)計是刀具一側(cè)使用三個直線軸和一個回轉(zhuǎn)軸，工件只用一個回轉(zhuǎn)軸驅(qū)動( 傾斜式頭架結(jié)構(gòu))。下文中將就這兩種結(jié)構(gòu)作進一步探討。全部五軸運動均由刀具一側(cè)完成，而工作不僅是飛機和大型模具等大型零件加工中常用的結(jié)構(gòu)。這是因為零件尺寸和質(zhì)量太大不可能采用其它結(jié)構(gòu)。最近開發(fā)的并聯(lián)運動機床也正在進入工業(yè)化應用。

2. 采用耳軸和行星式結(jié)構(gòu)的五軸加工

耳軸和行星式結(jié)構(gòu)的五軸加工機床通常是在標準三軸機床的基礎(chǔ)上加上一個二軸回轉(zhuǎn)工作臺。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是零件固定在回轉(zhuǎn)中心線上。依據(jù)不同尺寸，聯(lián)動加工過程中回轉(zhuǎn)軸改變其角度時，直線坐標補償行程最短。在這種運行中及在每次加工循環(huán)終了時，進給全受到五個坐標軸中的任意一軸運行狀態(tài)的限制。通常會由于補償行程過大而受到直線軸的限制。由于其重量和偏移效應較大，無法有效地提高直線坐標的加速度。與之相反，由于采用直接驅(qū)動技術(shù)，回轉(zhuǎn)坐標很容易實現(xiàn)高的動態(tài)性能。將此與短行程相結(jié)合則有助于縮短加工循環(huán)時間和提高加工精度。

補償行程短通常與五軸定位無關(guān)，只有在高速加工時，要求直線坐標和回轉(zhuǎn)坐標幾乎同時到達目標位置才會有問題。由于五軸加工零件越來越復雜，需要更多種類的刀具，因而在加工循環(huán)過程中會產(chǎn)生大量的換刀時間。另一方面， 由于被加工零件的鑄件非常接近實際形狀及高性能切削技術(shù)的應用，切削時間在縮短。如圖所示，在加工鋁制汽車轉(zhuǎn)向節(jié)時，采用創(chuàng)新的五軸加工概念，切屑至切屑時間只有1.9s，由于在加工左右側(cè)2個零件時，所有刀具只要換一次，因此換刀時間減少了50%。采用了效率更高的上、下料技術(shù)。標準化的機器人單元配合整體原料與成品件存放裝置，有效地減少了非生產(chǎn)時間。機器人除為兩臺機床上、下料外，還可以擔負加清潔、打標、測量等作業(yè)。由于采用可以配備無接縫夾具的行星式工作臺，不同加工應用之間的調(diào)整時間很短。采用高速直接驅(qū)動，可以使二個工作臺進行鏡像加工，這對對稱零件的加工很有意義，例如加工汽車、貨車或飛機左右兩側(cè)對稱的零件等。

帶有兩個工作臺的Chiron FZ 15K S五軸加工機床

3. 采用可傾式主軸結(jié)構(gòu)的五軸加工

可傾主軸機床也是在標準三坐標機床的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的.只是將其中一個回轉(zhuǎn)坐標整合到主軸頭架上，使主軸可從垂直位置做+/-100度的傾斜擺動。圖示為大力矩電機驅(qū)動的，具有很好動態(tài)性能的主軸頭架，它可在任意角度位置定位。機床工作臺配置了第二回轉(zhuǎn)坐標，也是采用大力矩電機驅(qū)動，最高轉(zhuǎn)速可達1000r/min。這種立式機床在加工重型零件方面具有很大優(yōu)勢，因為工件重量加上附件重量無法用耳軸式擺動坐標進行傾斜加工。傾斜擺動就由重量輕得多的主軸來完成。而上、下料則可在一個水平面上進行，操作簡便。

配備垂直回轉(zhuǎn)工作臺的Chiron MILL銑車作業(yè)

工作臺可在五軸加工過程中以1000r/min的速度回轉(zhuǎn)。因而可以如同更換銑刀一樣，從刀庫上調(diào)用車刀。在車削作業(yè)過程中，主軸可使車刀始終保持一個固定傾角，而進給運動則由直線坐標完成，從而減少了零件精加工所需的機床數(shù)量和零件傳輸次數(shù)。

這種主軸可傾式機床還可以配備水平耳軸擺動坐標。對于加工航空工業(yè)用鋁制零件來說，能承載重型零件和夾具的回轉(zhuǎn)坐標是一種很好的解決方案，加工鋁件時的金屬去除率要比加工普通零件高80%。切除率是項重要指標。利用回轉(zhuǎn)的耳軸工作臺，切屑可直接落下并收入集成于機床床身的排屑裝置中。

除此耳軸式坐標之外，在某些情況下，增加一種簡單的回轉(zhuǎn)坐標或車削主軸，因其具有高效特點，可能更為實用。這種結(jié)構(gòu)適用于加工棒料或型材。在回轉(zhuǎn)軸中配置一個內(nèi)徑為65 mm的空心軸，用于安放相當直在的棒料和型材。這樣，除了能具有五軸回轉(zhuǎn)功能外，還可以4500r/min的轉(zhuǎn)速進行車削作業(yè)。當零件需要在其一端定心時，可將卡盤作為尾架，因棒料的長度無法采用直線NC控制作進給運動。當零件從棒料上切下時，也可利用卡盤使其保持夾持狀態(tài)，然后利用另一個帶垂直NC坐標的工作臺使其轉(zhuǎn)向。這樣，便可以對零件的背面進行五軸加工，即一次裝夾完成全部車銑加工。若配置成品件的下料功能，便可實現(xiàn)全自動加工。因此，這種極為簡單的卡頭和夾緊方法，就成為一種最為有效的棒抖加工柔性自動化解決方案。這就構(gòu)成了直徑32mm以下零件的五軸加工機床配置。例如各種儀器、儀表、鐘表等小型高精度零件的生產(chǎn)。請注意，這類零件日益復雜，甚至五軸聯(lián)動加工也無法滿足要求。

為了減少包括空轉(zhuǎn)測試零件加工程序或首件加工調(diào)試的調(diào)整時間，計算機模擬不失為一種有放工具。最新版本的模擬軟件具有檢測編程錯誤，機床、刀具、夾具和零件之間的沖突，優(yōu)化刀具長度與行程等等功能。因此，五鈾加工已經(jīng)沒有什么懸念并得到廣泛應用。這類機床將成為未來各種機床變型結(jié)構(gòu)的標準設(shè)備。